核電站循環(huán)冷卻機(jī)組檢修門的數(shù)值分析

戴美軍， 車小蓮， 羅建平， 陳 杰， 劉廣平

(浙江金盾風(fēng)機(jī)股份有限公司， 浙江紹興 312300)

安全殼循環(huán)冷卻機(jī)組用于非能動(dòng)核電廠安全殼廠房?jī)?nèi)，為方便檢修人員對(duì)機(jī)組內(nèi)部各部件進(jìn)行檢查、維護(hù)和清潔，在機(jī)組箱體底板上設(shè)置檢修門。檢修門位于機(jī)組底座的負(fù)壓段，通常應(yīng)設(shè)計(jì)成外開式，以確保機(jī)組運(yùn)行時(shí)檢修門關(guān)閉時(shí)的密封性能；而底座下方設(shè)置的安裝鋼梁阻擋了檢修門的開啟，因而設(shè)計(jì)了一種新型負(fù)壓段的內(nèi)開式檢修門。檢修門內(nèi)部通過安裝空心O形圈和橡膠條進(jìn)行密封，檢修門關(guān)閉后機(jī)組箱體最大設(shè)計(jì)壓力約為0.003 MPa，按照設(shè)計(jì)規(guī)范，要求在此壓力下機(jī)組總漏風(fēng)量不超過規(guī)定限值，因此對(duì)檢修門密封性能進(jìn)行分析十分必要。

近年來，使用Ansys Workbench軟件進(jìn)行O形圈的密封性能研究主要集中于針對(duì)實(shí)心O形圈的非線性分析[1-6]，筆者在此基礎(chǔ)上建立了檢修門空心O形圈的二維簡(jiǎn)化有限元模型，研究在空心O形圈不用預(yù)壓縮位移狀態(tài)下各接觸面的接觸壓力變化，并將分析結(jié)果與檢修門靜力學(xué)分析相結(jié)合，驗(yàn)證檢修門在接觸壓力、介質(zhì)壓力及地震組合載荷的作用下，是否引起結(jié)構(gòu)失效。

1 模型建立

1.1 二維有限元模型

檢修門簡(jiǎn)化模型組件主要有門板、底座、空心O形圈、橡膠條等，在檢修門底板處設(shè)置U形槽(高為10 mm、寬為20 mm)用以放置空心O形圈；橡膠條(寬為30 mm、厚度為8 mm)固定于門板上；空心O形圈(外徑為20 mm、內(nèi)徑為8 mm)安裝時(shí)通過預(yù)壓縮產(chǎn)生反彈力，從而起到密封效果?？招腛形圈的壓縮率δ為：

(1)

式中：φ1、φ2分別為空心O形圈的外徑和內(nèi)徑，mm；h為底座槽高，mm。計(jì)算得出空心O形圈的壓縮率約為16.7%。根據(jù)相關(guān)資料分析：橡膠作為密封件時(shí)，其壓縮率應(yīng)為10%～20%，此空心O形圈壓縮率滿足要求。

由于橡膠材料的高度非線性，且在受壓時(shí)伴有大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變等特性，建立空心O形圈有限元模型時(shí)對(duì)其提出的假設(shè)為：(1)橡膠圈材料拉伸與壓縮的蠕變性質(zhì)相同，且蠕變不引起體積變化；(2)橡膠圈材料具有確定的彈性模量和泊松比，泊松比取接近0.5的常數(shù)；(3)忽略溫度和時(shí)間對(duì)橡膠材料的影響；(4)檢修門門板組件和底板組件材料的剛度是橡膠圈的幾萬倍，在檢修門的非線性接觸分析中，將其視為O形密封圈變形時(shí)的約束邊界；(5)橡膠圈受到的預(yù)壓縮視為有約束邊界的定向位移，即門板的縱向位移。

在Workbench Geometry中建立檢修門密封部件的二維簡(jiǎn)化軸對(duì)稱有限元分析模型(見圖1)。

圖1 檢修門二維軸對(duì)稱有限元分析模型圖

研究空心O形圈的密封性能時(shí)，其關(guān)鍵在于空心O形圈在外力作用下的整體變化，因而對(duì)此空心O形圈采用六面體結(jié)構(gòu)單元，屬性設(shè)置為Soft。為保證計(jì)算結(jié)果的精確性，須對(duì)空心O形圈及橡膠條的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理；門板組件與底板組件為剛體組件，屬性設(shè)置為Hard，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格粗劃[7]。

1.2 三維有限元模型

在ProE軟件中建立檢修門的三維簡(jiǎn)化建模時(shí)，考慮到空心O形圈及橡膠條屬于復(fù)雜的非線性超彈性材料，在密封時(shí)呈現(xiàn)大變形和大位移，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間并保證計(jì)算結(jié)果的精確性將其簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后其模型見圖2。

圖2 檢修門三維簡(jiǎn)化模型圖

1.3 材料性能

檢修門門板組件、底座組件均使用Q345材料，空心O形圈及橡膠條使用氯丁橡膠。Q345材料的力學(xué)性能見表1。

表1 Q345材料力學(xué)性能

氯丁橡膠材料采用Workbench材料庫(kù)Hyperelastic Materials中自帶的氯丁橡膠材料，并選用Mooney-Rivlin模型[8-10]作為該橡膠材料在大變形下的力學(xué)性能。Mooney-Rivlin模型的表達(dá)式為：

w=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(2)

式中：w為應(yīng)變能密度函數(shù)；C1和C2為材料Mooney-Rivlin常數(shù)；I1和I2為應(yīng)變張量的不變量。

2 性能分析

對(duì)檢修門空心O形圈和橡膠條進(jìn)行密封， O形密封圈保證密封的必要條件為密封界面上的最大接觸壓力大于或等于介質(zhì)壓力，檢修門的密封性能是否有效也就取決于壓縮狀態(tài)下空心O形圈與底板、空心O形圈與橡膠條以及橡膠條與門板組件接觸面間的最大等效接觸壓力是否大于介質(zhì)壓力。

對(duì)檢修門進(jìn)行密封性能分析時(shí)，首先進(jìn)行空心O形圈的預(yù)壓縮分析，得到不同預(yù)壓縮位移所對(duì)應(yīng)的三個(gè)主要接觸面上接觸壓力的變化情況；然后將空心O形圈與底板組件及橡膠條以門板組件間的最大接觸壓力施加在相應(yīng)的接觸面上，得到檢修門各部件在密封接觸壓力和介質(zhì)壓力同時(shí)作用下的等效應(yīng)力及變形情況，進(jìn)而驗(yàn)證檢修門的密封性能。

2.1 空心O形圈預(yù)壓縮分析

2.1.1 條件設(shè)置

檢修門的密封接觸涉及空心O形圈與底板組件、橡膠條與底板組件以及空心O形圈與橡膠條之間的接觸，設(shè)置其接觸為Frictional；橡膠條與門板組件之間的接觸設(shè)置為Bonded。

在檢修門門板組件上施加Z軸負(fù)方向上的位移約束，以此代替空心O形圈的預(yù)壓縮。檢修門底座組件與機(jī)組箱體相連接，故對(duì)底座組件的連接面施加固定約束。

2.1.2 結(jié)果分析

當(dāng)空心O形圈完全被壓縮時(shí)，其預(yù)壓縮位移為10 mm，此時(shí)檢修門內(nèi)各接觸面的接觸壓力及空心O形圈的受壓變形結(jié)果見圖3～圖6?？招腛形圈發(fā)生明顯變形，最大等效應(yīng)力集中于O形圈的內(nèi)環(huán)邊界處；O形圈與底座組件的U形槽內(nèi)部面均有接觸，受到接觸壓力最小的接觸面在U形槽右側(cè)。

圖3 O形圈等效應(yīng)力圖

圖4 O形圈與底板組件接觸壓力圖

圖5 O形圈與橡膠條接觸壓力圖

圖6 橡膠條與門板組件接觸壓力圖

設(shè)置不同的空心O形圈預(yù)壓縮位移，得到各接觸面對(duì)應(yīng)的接觸壓力變化情況(見圖7)。

圖7 不同預(yù)壓縮位移對(duì)應(yīng)的各接觸面的接觸壓力變化圖

2.2 介質(zhì)壓力作用下的密封性分析

由于橡膠密封圈材料具有高度非線性[11]，即幾何非線性、材料非線性和接觸非線性，隨著空心O形圈的預(yù)壓縮，檢修門密封接觸面上的接觸壓力分布并不均勻。若以接觸界面的最大等效應(yīng)力均勻施加到門板組件和底座組件上，此時(shí)如果檢修門接觸面上的接觸壓力大于介質(zhì)壓力，則說明檢修門的密封性能是有效的；而且在分析中需要校核檢修門各零部件的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.1 載荷施加與邊界條件

檢修門承受的載荷主要有自身重力、空心O形圈的接觸壓力以及介質(zhì)壓力。在靜力學(xué)分析中，門板組件與底板組件之間存在的接觸設(shè)置為Frictionless；底板組件與把手之間的接觸設(shè)置為No Separation；鉸鏈與鉸鏈之間設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；其他零部件之間的接觸設(shè)置為Bond。

(1) 重力載荷。

重力方向豎直向下，加速度為1.0g(g為重力加速度)；另外，檢修門門板組件內(nèi)部空隙填充玻璃棉，在分析時(shí)以質(zhì)量點(diǎn)的形式施加于門板組件重心處。

(2) 接觸壓力。

由檢修門空心O形圈的預(yù)壓縮分析結(jié)果可知：當(dāng)預(yù)壓縮位移為10 mm時(shí)，橡膠條與門板組件接觸處的最大接觸壓力為0.026 MPa，施加于橡膠條與門板組件的接觸面上；空心O形圈與底座組件有三個(gè)方向上的接觸，接觸壓力最大處位于底座U形槽的左側(cè)面，最大值為0.06 MPa，施加于空心O形圈與底座的接觸面上。

(3) 介質(zhì)壓力。

MS14機(jī)組箱體負(fù)壓段的最大設(shè)計(jì)壓力為0.003 MPa，在分析時(shí)施加于檢修門門板組件上，方向?yàn)閆軸正方向。

(4) 邊界條件。

檢修門門板組件通過鉸鏈實(shí)現(xiàn)與底座組件的綁定以及檢修門的開啟和關(guān)閉，因而對(duì)鉸鏈設(shè)置旋轉(zhuǎn)約束，并對(duì)底座組件與機(jī)組的連接面施加固定約束。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

檢修門在預(yù)壓縮接觸壓力與介質(zhì)壓力同時(shí)作用下，其分析結(jié)果見圖8～圖17和表2。從分析結(jié)果可以看出：檢修門出現(xiàn)變形及等效應(yīng)力最大的部件在把手裝置上(位移為0.58 mm，最大等效應(yīng)力為139.82 MPa(小于 207 MPa)，安全系數(shù)為2.47)；鉸鏈及搭扣裝置都受到載荷沖擊，最大等效應(yīng)力均在70 MPa以下；門板組件的變形位移為0.62 mm。

圖8 門板組件等效應(yīng)力圖

圖9 門板組件總變形位移圖

圖10 底座組件等效應(yīng)力圖

圖11 底座組件總變形位移圖

圖12 把手等效應(yīng)力圖

圖13 把手總變形位移圖

圖14 搭扣裝置等效應(yīng)力圖

圖15 搭扣裝置總變形位移圖

圖16 鉸鏈等效應(yīng)力圖

圖17 鉸鏈總變形位移圖

項(xiàng)目門板組件底板組件把手搭扣裝置鉸鏈最大等效應(yīng)力/MPa29.9023.97139.8254.7266.61最大總位移/mm0.620.010.580.550.01安全系數(shù)11.5414.392.476.305.18許用應(yīng)力/MPa207

根據(jù)空心O形圈不同預(yù)壓縮位移對(duì)應(yīng)各接觸面的接觸壓力曲線，可以得出在此位移變形情況下，空心O形圈與橡膠條間的接觸壓力為0.023 MPa，橡膠條與門板組件間的接觸壓力約為0.024 MPa，空心O形圈與底座組件接觸面的最大接觸壓力約為0.052 MPa，均大于介質(zhì)壓力。由以上分析可知：安全殼循環(huán)冷卻機(jī)組負(fù)壓段內(nèi)檢修門的密封性能及各零部件的強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 抗震性能校核

按設(shè)計(jì)要求，在安全停堆地震(SSE)載荷工況下，檢修門各部件的最終應(yīng)力應(yīng)等于或小于1.6倍許用應(yīng)力。在檢修門的靜力學(xué)分析中將接觸界面的最大等效應(yīng)力均勻施加到門板組件和底座組件上，因此在分析中只要檢修門各零部件的最大等效應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，檢修門的強(qiáng)度即符合要求。

3.1 載荷施加與邊界條件

在SSE載荷工況下，檢修門所承受的載荷主要來自于檢修門的自身重力、地震載荷、空心O形圈的接觸壓力以及介質(zhì)壓力。檢修門受到的地震載荷可以以靜態(tài)載荷等效分析的方式施加于沿重心三個(gè)互相垂直的軸線方向上，安全殼循環(huán)冷卻機(jī)組布置在AP1000反應(yīng)堆廠房(CIS)153′-0″混凝土樓面。樓層反應(yīng)譜在三個(gè)正交方向的峰值加速度見表3。

表3 樓層反應(yīng)譜的峰值加速度

考慮到不同的振動(dòng)頻率應(yīng)有有效響應(yīng)，當(dāng)量靜態(tài)載荷的大小為：

Fx=λ×ax×M

(3)

Fy=λ×ay×M

(4)

Fz=λ×az×M

(5)

(6)

式中：λ為靜態(tài)載荷系數(shù)，取1.5；Fx、Fy為水平方向靜態(tài)載荷；Fz為豎直方向靜態(tài)載荷；F為當(dāng)量靜態(tài)載荷；M為檢修門質(zhì)量。

在Ansys Workbench中設(shè)置檢修門的當(dāng)量載荷作用時(shí)，將振動(dòng)加速度以慣性力的形式施加于檢修門重心處，其方向以最不利于檢修門正常運(yùn)行工況的條件進(jìn)行設(shè)置。除地震載荷外，其他載荷的施加均與檢修門介質(zhì)壓力作用下的載荷施加條件一致。

3.2 計(jì)算結(jié)果

在空心O形密封圈接觸壓力、當(dāng)量靜態(tài)載荷及外界介質(zhì)壓力等組合載荷的共同作用下，檢修門各部件靜力分析結(jié)果見圖18～圖27和表4。

圖18 門板組件等效應(yīng)力圖

圖19 門板組件總變形位移圖

圖20 底座組件等效應(yīng)力圖

圖21 底座組件總變形位移圖

圖22 把手等效應(yīng)力圖

圖23 把手總變形位移圖

圖24 搭扣裝置等效應(yīng)力圖

圖25 搭扣裝置總變形位移圖

圖26 鉸鏈等效應(yīng)力圖

圖27 鉸鏈總變形位移圖

項(xiàng)目門板組件底板組件把手搭扣裝置鉸鏈最大等效應(yīng)力/MPa49.5033.44251.1978.41160.00最大總位移/mm0.710.011.020.700.061.6倍許用應(yīng)力/MPa331.2

從分析結(jié)果可以看出：檢修門各組件最大等效應(yīng)力均小于材料的1.6倍許用應(yīng)力，說明檢修門在機(jī)組SSE情況下能夠保證結(jié)構(gòu)的完整性，滿足設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語

筆者通過分析安全殼循環(huán)冷卻機(jī)組在負(fù)壓段內(nèi)安裝內(nèi)開式的檢修門，運(yùn)用ProE和Ansys/Workbench軟件對(duì)檢修門內(nèi)的空心O形圈及整個(gè)模型進(jìn)行數(shù)值分析研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在預(yù)壓縮和介質(zhì)壓力的同時(shí)作用下，空心O形圈與橡膠條間的接觸壓力、橡膠條與門板組件間的接觸壓力、空心O形圈與底座組件接觸面的最大接觸壓力均大于介質(zhì)壓力，檢修門密封有效；檢修門等效應(yīng)力最大的部件在把手裝置上，安全系數(shù)為2.47，滿足正常運(yùn)行工況下的設(shè)計(jì)要求，檢修門不會(huì)發(fā)生永久變形而影響密封性能。

(2) 在檢修門的抗震強(qiáng)度校核中，檢修門把手裝置所受等效應(yīng)力最大，小于設(shè)計(jì)允許的1.6倍許用應(yīng)力，最大變形位移處于檢修門允許的彈性變形范圍內(nèi)，能夠保證該檢修門在SSE載荷工況下結(jié)構(gòu)的完整性。